图注： 阿尔茨海默病中的淀粉样斑块 [图片来源：Artur Plawgo / iStock / Getty Images Plus]
大脑是人体内最活跃的器官之一，持续进行信息处理与结构重塑，这种高活性会源源不断产生分子副产物——即需要在积聚前被转运出脑的蛋白质。当这些清除通路减慢或受损时，废物会滞留，进而造成严重后果。例如阿尔茨海默病中，毒性蛋白会在易感脑区累积。但尽管历经数十年研究，科学家仍未明确生理状态下大脑的废物排出机制。
格拉德斯通研究所的一项新研究为生理状态下大脑的废物清除机制、以及通路受损后的病理变化提供了迄今为止最清晰的解析。该研究以《神经元蛋白示踪揭示大脑生理清除结构》为题发表于《细胞》（Cell）期刊，研究团队开发了一种示踪技术，可全程追踪神经元内产生的废物蛋白从生成到排出脑的全过程。
数十年来，研究人员依赖向脑脊液（CSF）中注射示踪剂的方法可视化引流过程，但该方法尽管能展示所有潜在通路，却无法准确定位最主要的排出路径。“这些外源性注射的示踪剂会干扰我们试图测量的系统本身，”该研究的通讯作者、格拉德斯通研究所研究员Andrew Yang博士表示，“我们希望找到更优的研究方法。”
Yang团队对小鼠神经元进行基因工程改造，使其表达绿色荧光蛋白ZsGreen（ZsGreen），该蛋白可随生理通路排出脑，研究人员可对其进行全程追踪。这使得研究团队能够追踪废物进入硬脑膜、颅骨、鼻腔及淋巴结的过程——这些区域分布着可与脑源性蛋白相互作用的特异性免疫细胞。
最终得到的引流图谱与该领域长期以来的假设存在显著差异。传统脑脊液示踪方法提示颈淋巴结是主要的引流位点，但新方法显示仅有极少量神经元来源的废物真正到达这些淋巴结。“我们惊讶地发现仅有极少的ZsGreen引流至颈淋巴结，”Yang表示，“相反，废物主要通过硬脑膜、颅骨和鼻腔排出。我们的研究结果表明，相较于追踪脑脊液的流动，直接追踪废物蛋白本身能更准确地解析废物清除的动态过程。”
研究团队还发现了一个惊人的组织规律：蛋白质的合成位点决定了其引流路径。前脑上部区域产生的蛋白质通过上部通路排出，而纹状体等深部脑结构产生的蛋白质则通过下部通路排出。研究人员将这一规律称为大脑的“最近出口”模型。“这就好像每个脑区都有一套生物学邮政编码系统，确保废物被转运至正确的引流位点，”博士后研究员Nalini Rao博士表示，她指出在衰老或疾病状态下，这些“邮政编码”可能发生紊乱，这或许可以解释为何特定脑区更易罹患阿尔茨海默病等神经疾病。
疾病模型实验证实了该清除系统的脆弱性。在急性炎症模型小鼠中，ZsGreen直接渗漏进入血液循环，绕过了正常引流通路。在阿尔茨海默病模型小鼠中，废物被困在脑内，无法有效排出。“明确疾病如何破坏大脑清除通路，有助于我们开发靶向脑边界结构、增强废物清除的治疗策略，”Rao表示。
依托这一新的示踪技术，Yang团队计划探究衰老、睡眠和疾病状态下脑废物清除功能的变化，以及脑肿瘤是否会利用这些通路逃避免疫监视。曾长期不明的脑废物清除结构，如今已向研究人员敞开了探索的大门。
专业注释
- ZsGreen：高亮度绿色荧光报告蛋白，常用于分子示踪研究
- 最近出口模型：脑区废物优先经最近生理通路排出的规律